“光敏度提升20倍” KAIST开发世界最高性能光传感器
一种无需电池、仅依靠光源即可实现可穿戴设备、生物信号监测和自动驾驶汽车等精密传感的“无电源光传感器”已在韩国国内研发成功。
目前用于光传感器的传统硅半导体对光的响应性较低，而二维半导体二硫化钼（MoS₂）又过于薄弱，难以通过掺杂工艺调节其电学特性，这就成为实现高性能光传感器的一大限制因素。
但此次以本国技术开发出的无电源光传感器克服了这些局限，在存在光源的环境中无需外部供电即可工作，同时展现出世界顶级性能，备受关注。
KAIST称，电气及电子工程系研究团队在教授 Lee Gayoung 的带领下，开发出了无需外部电源供给即可运作的无电源光传感器，此消息于14日公布。
该传感器的灵敏度比现有产品最高提升至20倍，在迄今公开的同等级技术中，性能处于最顶尖水平。
无电源光传感器是在具有“PN结结构”的光传感器中不进行掺杂，而是引入“范德瓦尔斯底部电极（Van der Waals Bottom Electrode，用于使半导体对电信号高度敏感）”制成的。
PN结结构是指在半导体中将P型（空穴多）与N型（电子多）材料接合的结构，在无电能供给的情况下，只要存在光就能自行产生电信号。其在受光时使电流单向流动的特性，是光传感器和太阳能电池的核心要素。
不过，要使PN结完全形成，就必须经过称为“掺杂”的工艺。掺杂是指向半导体中有意加入杂质以改变其电学特性的过程。但在这一过程中，二硫化钼等二维半导体的厚度处于原子尺度，如果像对传统半导体那样进行掺杂，反而可能破坏其结构或降低性能，这正是二维半导体在构建理想PN结时面临的根本限制。
研究团队为克服这一局限并最大化器件性能，构思出一种引入“范德瓦尔斯电极”和“部分栅极（Partial Gate）”两项核心技术的新型器件结构。
部分栅极结构仅向二维半导体的部分区域施加电信号，使一侧像P型、另一侧像N型那样工作，从而在无须掺杂的情况下，通过电学方式实现PN结结构的工作原理。
研究团队还考虑到传统金属电极会与半导体发生强烈化学键合，可能破坏半导体固有晶格结构的问题，在保持二维半导体原有结构的同时，营造了有利于电信号顺畅传输的环境。其方式是诱导金属电极通过范德瓦尔斯力柔和地附着在范德瓦尔斯底部电极上。
这意味着，即便在厚度极薄的二维半导体中，也能在不破坏结构的前提下实现电学上完全工作的PN结。该研究为在二维半导体中同时确保器件结构稳定性和电学性能提供了一种创新性路径。
通过这一结构，研究团队强调，与需要电源的传统传感器相比，新型无电源光传感器性能提升超过20倍；与硅基无电源传感器相比提升超过10倍；与现有二硫化钼传感器相比提升超过2倍。尤其是其高灵敏度表明，该无电源光传感器有望被应用于生物信号探测或在昏暗环境中仍可工作的高精度传感器。
教授 Lee Gayoung 表示：“研究团队成功实现了无需掺杂工艺也能控制二维半导体电流的PN结。这项技术不仅可用于传感器，还可应用于智能手机和各类电子设备内部用于调节电力的核心元件，将成为推动未来电子设备小型化、无电源化的催化剂。”
此次研究在韩国研究财团、韩国基础科学支援研究院、三星电子以及韩国产业技术振兴院的支持下完成。
电气及电子工程系博士研究生 Hwang Jaeha 和 Song Junki 以共同第一作者身份参与的该研究，已于上月26日发表于材料科学领域学术期刊《Advanced Functional Materials》。
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